Теплопроводность пеноблока — Кирпичи и строительные блоки

Пеноблок Автор: Administrator · 24.05.2023 ·

Такое свойство материала как теплопроводность можно считать одним из основных, пеноблок не является исключением. Это свойство показывает, как материал проводит тепло сквозь свою толщину при большой разности температур на разных поверхностях. Рассматриваемое свойство материала сначала исследуют, а затем определяют области строительства, которых можно применять исследуемый материал.

Теплопроводность величина зависима, прежде всего она зависит от плотности пенобетонных блоков, то есть из изменением плотности величина теплопроводности меняется. При увеличении плотности теплопроводность пеноблока уменьшается и наоборот.

Сам материал имеет небольшую теплопроводность, это связано с его структурой. Известно, что пенобетон состоит из большого количества пор, в которые заключён воздух, если его взять отдельно, то он имеет минимальную теплопроводность, всего 0,026 Вт/м оС. Такая величина теплопроводности достаточно мала, даже если сравнивать с керамзитобетоном. Как показывают исследования в отдельном пеноблоке имеется достаточно большой процент воздуха, поэтому и теплопроводность его небольшая.

Теплопроводность пеноблоков влияет на их свойства. Величину теплопроводности следует понимать так – чем она выше, тем хуже теплоизоляционные качества пеноблоков.

Теперь можно рассмотреть влияние плотности материала на его теплопроводность. Плотность пеноблока маркируется буквой Д, и измеряется в пределах от Д300 до Д1200. А сейчас рассмотрим теплопроводность материала при минимальной и максимальной плотности.

Если используется материал с плотностью Д300 то теплопроводность пеноблока составит 0,08 Вт/м ºС; при изменении теплопроводности до Д1200 теплопроводность изменится до 0,38 Вт/м ºС. Из этого следует сделать выводы, что изменение плотности в 4 раза понижает теплопроводность материала почти в 5 раз.

При создании проектов зданий ведётся учёт необходимого уровня теплоизоляции стен, поэтому в некоторых случаях нужно увеличить толщину стены или устроить дополнительное утепление.

Специалисты рекомендуют использовать пенобетон средней плотности, а конкретнее Д600 – он прочный и хорошо держит тепло. Толщина стены зависит от конкретного региона с его климатическими условиями.

Похожие статьи

Пеноблок Автор: Administrator · 24.05.2023 ·

Основные качества пеноблоков зависят от их плотности, также от этого свойства материала зависит их распределение на виды. Плотность рассматриваемого материала обозначают буквой Д, для данного материала плотность изменяется в пределах от Д400 до Д1100. Рассмотрим виды пеноблоков по их плотности…. Читать дальше

Пеноблок Автор: Administrator · 24.05.2023 ·

Все говорят, что вес пеноблока небольшой, а вот какой именно знают немногие. Давайте на конкретном примере научимся самостоятельно рассчитывать вес данного материала. Значение этого параметра зависит от плотности материала, а также от его размеров. Сейчас мы рассчитаем вес одного пеноблока… Читать дальше

Пеноблок Автор: Administrator · 24. 05.2023 ·

В виду большой пористости, пеноблок по праву считают одним из самых тёплых и экологичных строительных материалов. Как говорят специалисты, достаточно отделать стены из пеноблока штукатуркой и больше никакое утепление не нужно, но это применительно лишь для регионов умеренного климата. Технология… Читать дальше

видео-инструкция по монтажу своими руками, коэффициент, фото

Практически каждый застройщик мечтает о том, чтобы его дом был теплым в холодные зимы, и прохладным – жарким летом. При этом они прибегают к разным ухищрениям для того, чтобы сделать условия проживания комфортными.

Одним из самых популярных материалов стал пенобетон, и очень важным параметров является низкая теплопроводность пеноблоков, из которых строятся новые жилые здания.

Теплопроводность – одна из основных характеристик пеноблоков

Содержание

• 1 Причины применения пеноблоков
  • 1.1 Вопросы экономии
  • 1.2 Достоинства пенобетона
  • 1.3 Структура пенобетона
  • 1. 4 Изготовление пеноблоков
  • 1.5 Использование в строительстве
• 2 Еще один интересный материал – шлакоблок
  • 2.1 Тепловые характеристики
  • 2.2 Кладка шлакоблока
• 3 Вывод

Причины применения пеноблоков

Вопросы экономии

Стоимость единицы объема невелика

Цена единицы объема относительно невысока, значит общая стоимость строительства значительно меньше такого же процесса, но с использованием другого материала для строительства. К примеру, использование пеноблоков дает экономию до 20%, по сравнению со строительством дома из кирпича. Характеристики здания, построенного из пеноблоков, ни в чем не уступают кирпичному зданию, а по некоторым параметрам его превосходят. (см. также статью Можно ли построить гараж из пеноблоков своими руками)

Пенобетон обладает практически такой же теплопроводностью, как и натуральная древесина. Теплопроводность кирпича выше почти в три раза, что приводит к дополнительным потерям тепла.

Как показывает практика, чтобы обогреть кирпичное здание, у которого стены имеют толщину в 40 см, требуется тепла почти в три раза больше, чем для здания с такой же толщины пеноблочными стенами. В наши дни, при постоянном росте цен на энергоносители, пенобетон приносит существенную экономию.

Достоинства пенобетона

Скорость кладки – одно из достоинств пеноблоков

1. Сравнивая теплопроводность кирпича и пеноблока, нужно сказать, что теплоизоляционные свойства пенобетонов несколько раз лучше таких же свойств керамического и силикатного кирпича
   . Поэтому, при одинаковых теплоизоляционных показателях, стены могут иметь гораздо меньшую толщину.
   И значит, увеличивая толщину стен дома пенобетонными блоками, значительно улучшается теплотехника дома. (см. также статью Стена из пеноблоков своими руками – крепкая и надежная конструкция)
2. Пенобетонные блоки обладают гораздо меньшей плотностью, чем кирпич, стены дома гораздо меньше весят, по сравнению с аналогичными – кирпичными. В результате существенно уменьшается нагрузка на фундамент, и значит он может быть сделан более облегченным.
3. Использование лучших теплотехнических свойств пенобетона, существенно уменьшает затраты, связанные с обогревом здания.

Структура пенобетона

Большое количество воздуха в блоках

Своими великолепными качествами пенобетон обязан тому, что он имеет пористую структуру. Более 4/5 объема занимают полые замкнутые ячейки, то есть пенобетонный блок состоит как бы из окружающего нас воздуха.

Эти своеобразные воздушные капсулы отлично изолированы внутри бетона, и изменение температуры происходит очень медленно. Имея такие свойства стена, сложенная из пеноблоков, становится как бы термосом.

Изготовление пеноблоков

Процесс изготовления блоков

При производстве пеноблоков используется пеногенератор и смеситель, в котором под давлением пена перемешивается с раствором цемента. Чтобы ускорить процессы отвердевания, схватывания в раствор добавляются специальные присадки.

На выходе происходит получение ячеистого бетона, вода из которого удаляется естественным путем. Воздушные пузырьки равномерно распределяются по всему объему раствора, в результате чего плотность бетона значительно уменьшается. Кроме легкости пенобетон приобретает высокие характеристики, касающиеся тепло- и звукоизоляции.

Использование в строительстве

Фото дома из пеноблока

Пенобетонные стены возводятся чаще всего из блоков марки Д600, стандартные размеры которых составляют 20х30х60 см. Из пеноблока можно возводить дома до 3-х этажей.

Производство таких блоков позволяет практически идеально соблюдать их геометрию, что облегчает процесс кладки. Также стену можно выкладывать не на раствор, а на специальный клей, и при этом такая стена будет выглядеть ровно и монолитно.

Стены из пенобетона обладают долговечностью, так как этот материал, как и обычный бетон, добавляет в своей прочности с течением времени.

Еще один интересный материал – шлакоблок

Виды шлакоблока

Тепловые характеристики

Выбирая какой-либо строительный материал, нужно отталкиваться от его технических характеристик. И в частном домостроении получает широкое распространение шлакоблок. Одной из причин можно назвать довольно низкую его себестоимость, согласно которой его можно отнести к самым дешевым.

Но не только цена может привлечь внимание, но и его технические параметры, в частности низкая теплопроводность шлакоблока.Эта характеристика одна из самых низких среди всех материалов, использующихся при возведении стен.

Коэффициент теплопроводности шлакоблока лежит в пределах 0,27 – 0,65 Вт/м*К, а у кирпича этот показатель гораздо выше. Но с другой стороны проводимость тепла материалом определяется тем наполнителем, который используется при производстве шлакоблоков.

Если наполнителем служит ракушечник или древесные опилки, то показатели теплопроводности лежат в нижних пределах. В случае использования крупного щебня, то такие блоки будут менее теплыми, и теплопроводность шлакоблоков будет наибольшей. Зато они будут самыми прочными.

Кладка шлакоблока

Инструкция по кладке шлакоблока своими руками:

1. Первый шаг – выставление углов. Делается это так, чтобы наружные стены образовали правильный прямоугольник, лежащий в горизонтальной плоскости. В каждый угол кладется шлакоблок, выравнивается с помощью уровня, натягивается леска или шнур, которые и будут ориентиром для кладки.
2. На гидроизоляцию, расположенную на фундаменте наносится раствор и укладывается первый ряд.

   Кладем гидроизоляцию

Внимание: Первый ряд — самый важный, так как определяет то,насколько ровными будут последующие ряды.
Поэтому контроль горизонтальности и вертикальности должен быть очень тщательным.

3. Раствор должен иметь толщину не более 1,5 см, так как это отрицательно скажется на теплоизоляционных свойствах кладки.
4. Кладка каждого последующего блока, производится с помощью резинового молотка, для более плотного расположения материала.

Кладем шлакоблок

5. Выступающий раствор удаляется кельмой, и используется при кладке следующих блоков.
6. Кладка верхних рядов выполняется со строительных лесов.

Совет: Не стоит класть шлакоблок со стремянки.
Она недостаточно устойчива, на ней мало места и ее постоянно придется передвигать.

Вывод

Выбор того или иного материала остается за хозяином стройки, и только он знает все требования, которые предъявляются к стенам. В представленном видео в этой статье Вы найдете дополнительную информацию по этой теме.

14.5 Проведение – физика колледжа 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Расчет теплопроводности.
• Наблюдайте за теплопроводностью при столкновениях.
• Исследование теплопроводности обычных веществ.

Рисунок 14.13 Изоляция используется для ограничения передачи тепла изнутри наружу (зимой) и снаружи внутрь (летом).

(кредит: Джайлз Дуглас)

Ваши ноги мерзнут, когда вы идете босиком по ковру в гостиной в своем холодном доме, а затем ступаете на плиточный пол в кухне. Этот результат интригует, поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру. Разные ощущения объясняются разной скоростью теплопередачи: потеря тепла за один и тот же промежуток времени больше для кожи, соприкасающейся с плиткой, чем с ковром, поэтому перепад температуры на плитке больше.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В общем, хорошие проводники электричества (такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) плохо проводят тепло. На рис. 14.14 показаны молекулы в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном. При столкновении двух молекул происходит передача энергии от молекулы с большей кинетической энергией к молекуле с меньшей кинетической энергией.

Совокупный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Таким образом, тепловой поток зависит от разности температур ΔΤ=Τгоряч-Tхолод ΔΤ=Τгоряч-Tхолод. Поэтому от кипятка вы получите более сильный ожог, чем от горячей водопроводной воды. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. В связи с тем, что число соударений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если вы коснетесь холодной стены ладонью, ваша рука остынет быстрее, чем если вы просто коснетесь ее кончиком пальца.

Рисунок 14.14 Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке молекула в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую энергию до столкновения, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью.

Напротив, молекула в области более высоких температур (левая сторона) имеет высокую энергию перед столкновением, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Третьим фактором механизма теплопроводности является толщина материала, через который передается тепло. На рисунке ниже показана плита материала с разными температурами с обеих сторон. Предположим, что T2T2 больше, чем T1T1, так что тепло передается слева направо. Перенос тепла с левой стороны на правую осуществляется за счет серии столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Эта модель объясняет, почему толстая одежда теплее зимой, чем тонкая, и почему арктические млекопитающие защищаются толстым жиром.

Рисунок 14.15 Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой, будь то оконное стекло или жир моржа. Температура материала T2T2 слева и T1T1 справа, где T2T2 больше, чем T1T1. Скорость теплопереноса теплопроводностью прямо пропорциональна площади поверхности AA, разнице температур T2-T1T2-T1 и проводимости вещества kk. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине dd.

Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, которое было выведено и подтверждено экспериментами. Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую ​​как на рис. 14.15, определяется как

Qt=kA(T2-T1)d, Qt=kA(T2-T1)d,

14,26

, где Q/tQ/t — скорость теплопередачи в ваттах или килосеках. калории в секунду, kk — теплопроводность материала, AA и dd — его площадь поверхности и толщина, как показано на рис. 14.15, а (T2−T1)(T2−T1) — разность температур поперек плиты. В таблице 14.3 приведены репрезентативные значения теплопроводности.

Пример 14,5

Расчет теплопередачи за счет теплопроводности: коэффициент теплопроводности через коробку для льда

Коробка для льда из пенополистирола имеет общую площадь 0,950 м20,950 м2 и среднюю толщину стенок 2,50 см. В коробке находится лед, вода и напитки в банках при температуре 0ºC0ºC. Внутренняя часть коробки остается холодной за счет таяния льда. Сколько льда растает за сутки, если ящик со льдом хранить в багажнике автомобиля при температуре 35,0ºC35,0ºC?

Стратегия

Этот вопрос касается как тепла для фазового перехода (таяния льда), так и переноса тепла путем теплопроводности. Чтобы найти количество растаявшего льда, мы должны найти чистое переданное тепло. Это значение можно получить, рассчитав скорость теплопередачи теплопроводностью и умножив на время.

Решение

1. Определите известное. A=0,950 м2;d=2,50 см=0,0250 м;T1=0ºC;T2=35,0ºC,t=1 день=24 часа=86 400 с. =86 400 с.

   14,27

2. Определите неизвестные. Нам нужно найти массу льда, мм. Нам также нужно будет найти чистую теплоту, переданную для таяния льда, QQ.
3. Определите, какие уравнения использовать. Скорость теплопередачи за счет проводимости определяется выражением Qt=kA(T2−T1)d. Qt=kA(T2−T1)d.

   14,28

4. Тепло используется для таяния льда: Q=mLf.Q=mLf.
5. Вставьте известные значения: Qt=0,010 Дж/с⋅м⋅ºC0,950 м235,0ºC−0ºC0,0250 m=13,3 Дж/с. Qt=0,010 Дж/с⋅м⋅ºC0,950 м235,0ºC−0ºC0,0250 m=13,3 Дж/с.

   14,29

6. Умножьте скорость теплопередачи на время (1 день = 86 400 с1 день = 86 400 с): Q=Q/tt=13,3 Дж/с86 400 с=1,15×106 Дж. Q=Q/tt=13,3 Дж/с86 400 с=1,15×106 Дж.

   14.30

7. Установите его равным теплоте, переданной для таяния льда: Q=mLfQ=mLf. Решите для массы мм: м=QLf=1,15×106 Дж334×103 Дж/кг=3,44 кг.м=QLf=1,15×106 Дж334×103 Дж/кг=3,44 кг.

   14.31

Обсуждение

Результат 3,44 кг, или около 7,6 фунтов, кажется правильным, исходя из опыта. Вы можете рассчитывать на то, что будете использовать около 4 кг (7–10 фунтов) мешка со льдом в день. Если вы добавляете какие-либо теплые блюда или напитки, требуется немного дополнительного льда.

Проверка электропроводности в таблице 14.3 показывает, что пенополистирол является очень плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Другие хорошие изоляторы включают стекловолокно, шерсть и гусиный пух. Как и пенополистирол, все они включают в себя множество небольших воздушных карманов, использующих плохую теплопроводность воздуха.

Вещество	Теплопроводность k (Дж/с⋅м⋅ºC) k (Дж/с⋅м⋅ºC)
Серебро	420
Медь	390
Золото	318
Алюминий	220
Стальной чугун	80
Сталь (нержавеющая)	14
Лед	2,2
Стекло (среднее)	0,84
Бетонный кирпич	0,84
Вода	0,6
Жировая ткань (без крови)	0,2
Асбест	0,16
Гипсокартон	0,16
Дерево	0,08–0,16
Снег (сухой)	0,10
Пробка	0,042
Стекловата	0,042
Шерсть	0,04
Пуховые перья	0,025
Воздух	0,023
Пенополистирол	0,010

Стол 14. 3 Теплопроводность обычных веществ ⁷

Для создания хороших изоляторов часто используют комбинацию материала и толщины: чем меньше проводимость kk и больше толщина dd, тем лучше. Отношение d/kd/k, таким образом, будет большим для хорошего изолятора. Отношение d/kd/k называется коэффициентом RR. Скорость кондуктивной теплопередачи обратно пропорциональна RR. Чем больше значение RR, тем лучше изоляция. Коэффициенты RR чаще всего указываются для бытовой изоляции, холодильников и т.п., к сожалению, они по-прежнему выражены в неметрических единицах фут ² ·°F·ч/БТЕ, хотя единица измерения обычно не указывается (1 британская тепловая единица [БТЕ] – это количество энергии, необходимое для изменения температуры 1,0 фунта воды на 1,0 °F). Несколько репрезентативных значений представляют собой коэффициент RR, равный 11, для войлоков из стекловолокна толщиной 3,5 дюйма (кусков) изоляции, и коэффициент RR, равный 19, для войлоков из стекловолокна толщиной 6,5 дюймов. Стены обычно утепляются 3,5-дюймовыми плитами, а потолки обычно изолируются 6,5-дюймовыми плитами. В холодном климате для потолков и стен можно использовать более толстые войлочные панели.

Рисунок 14.16 Стекловолокно используется для изоляции стен и потолков, чтобы предотвратить передачу тепла между внутренней частью здания и внешней средой.

Обратите внимание, что в таблице 14.3 лучшие теплопроводники — серебро, медь, золото и алюминий — также являются лучшими проводниками электричества, опять же в зависимости от плотности свободных электронов в них. Кухонная утварь обычно изготавливается из хороших проводников.

Пример 14,6

Расчет разницы температур, поддерживаемой теплопередачей: теплопроводность через алюминиевый поддон

Вода кипит в алюминиевой кастрюле, поставленной на электрический элемент на плите. Сотейник имеет дно толщиной 0,800 см и диаметром 14,0 см. Кипящая вода испаряется со скоростью 1,00 г/с. Какова разница температур поперек (сквозь) дна кастрюли?

Стратегия

Теплопроводность через алюминий является здесь основным методом теплопередачи, поэтому мы используем уравнение для скорости теплопередачи и находим разность температур _.

T2-T1=QtdkA.T2-T1=QtdkA.

14,32

Решение

1. Найдите известные числа и переведите их в единицы СИ.

   Толщина поддона d=0,800 см=8,0×10-3 м, d=0,800 см=8,0×10-3 м, площадь поддона A=π(0,14/2)2 м2=1,54×10-2 м2A=π(0,14/2)2 м2=1,54×10-2 м2 и теплопроводность , k=220 Дж/с⋅м⋅°C.k=220 Дж/с⋅м⋅°C.

2. Рассчитайте необходимую теплоту парообразования 1 г воды: Q=mLv=1,00×10-3 кг2256×103 Дж/кг=2256 Дж. Q=mLv=1,00×10-3 кг2256×103 Дж/кг=2256 Дж.

   14.33

3. Рассчитайте скорость теплопередачи, учитывая, что 1 г воды тает за одну секунду: Q/t=2256 Дж/с или 2,26 кВт. Q/t=2256 Дж/с или 2,26 кВт.

   14,34

4. Подставьте известные значения в уравнение и найдите разницу температур: T2−T1=QtdkA=2256 Дж/с8,00 × 10−3м220 Дж/с⋅м⋅ºC1,54×10−2 м2=5,33ºC. ºC1,54×10−2 м2=5,33ºC.

   14,35

Обсуждение

Значение теплопередачи Q/t = 2,26 кВт или 2256 Дж/с Q/t = 2,26 кВт или 2256 Дж/с типично для электроплиты. Это значение дает удивительно малую разницу температур между плитой и кастрюлей. Учтите, что горелка плиты раскалена докрасна, а температура внутри кастрюли почти 100ºC100ºC из-за ее контакта с кипящей водой. Этот контакт эффективно охлаждает дно кастрюли, несмотря на его близость к очень горячей горелке плиты. Алюминий является настолько хорошим проводником, что достаточно этой небольшой разницы температур для передачи тепла в кастрюле мощностью 2,26 кВт.

Проводимость вызвана беспорядочным движением атомов и молекул. Таким образом, это неэффективный механизм переноса тепла на макроскопические расстояния и короткие временные расстояния. Возьмем, к примеру, температуру на Земле, которая была бы невыносимо холодной ночью и очень жаркой днем, если бы перенос тепла в атмосфере осуществлялся только за счет теплопроводности. В другом примере автомобильные двигатели перегревались бы, если бы не было более эффективного способа отвода избыточного тепла от поршней.

Проверьте свое понимание

Как изменится скорость теплопередачи за счет теплопроводности, если все пространственные измерения удвоятся?

Решение

Поскольку площадь является произведением двух пространственных измерений, она увеличивается в четыре раза при удвоении каждого измерения Afinal=(2d)2=4d2=4AinitialAfinal=(2d)2=4d2=4Ainitial. Расстояние, однако, просто удваивается. Поскольку разность температур и коэффициент теплопроводности не зависят от пространственных размеров, скорость теплопередачи за счет теплопроводности увеличивается в четыре раза, деленное на два, или в два раза:

Qtfinal=kAfinalT2-T1dfinal=k4AinitialT2-T12dinitial=2kAinitialT2-T1dinitial=2Qintial.

14,36

Блочные конструкции LEGO® в качестве теплоизолятора с температурой ниже Кельвина

Блочные конструкции LEGO® в качестве теплоизолятора с температурой ниже Кельвина

Скачать PDF

Скачать PDF

• Артикул
• Открытый доступ
• Опубликовано: 23 декабря 2019 г.

• Дж. М. А. Чаунер ORCID: orcid.org/0000-0003-4968-3191 ¹ ,
• А. Т. Джонс ¹ ,
• М. Т. Нобл ¹ ,
900 07 Г. Р. Пикетт ¹ ,
• В. Цепелин ORCID: orcid. org/0000-0001-9978-7832 ¹ и
• …
• Змеев Д.Е. ORCID: orcid.org/0000-0002-0463-7397 ¹  

Научные отчеты том 9 , Номер статьи: 19642 (2019) Процитировать эту статью

• 125 тыс. обращений

• 3 Цитаты

• 898 Альтметрический

• Сведения о показателях

Предметы

• Прикладная физика
• Техника и приборостроение

Abstract

Приведены результаты измерений теплопроводности конструкции из коммерческих модулей акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС), известных как блоки LEGO®, в диапазоне температур от 70 мК до 1,8 К. Степенной закон для теплопроводности образца κ  = (8,7 ± 0,3) × 10 ⁻⁵ T   ^1,75±0,02  WK ⁻¹ м ⁻¹ . Мы пришли к выводу, что этот композиционный материал ABS/пустота обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем хорошо известные объемные изоляционные материалы в исследованном диапазоне температур, сохраняя при этом прочную опору. Блоки LEGO представляют собой дешевую и превосходную альтернативу таким материалам, как Macor или Vespel. В нашей установке мощность <400 нВт может нагреть экспериментальную область площадью 5 см ² до более чем 1 K без каких-либо существенных изменений базовой температуры холодильника для растворения. Эта работа предполагает, что изготовленные на заказ модульные материалы с еще лучшими тепловыми характеристиками могут быть легко и дешево произведены с помощью 3D-печати.

Введение

Материалы с низкой теплопроводностью необходимы для термической изоляции криогенных компонентов. Хорошими примерами этого являются распорки радиационной защиты и опорные стержни в холодильниках разбавления. Эти компоненты полезны для всех криогенных технологий, но особенно для текущего развития квантовых вычислений, которые полагаются на изолированные низкие температуры для работы и согласованности. Некоторые пластмассы, такие как Vespel, имеют достаточно низкую теплопроводность ¹ , но большие объемы могут быть дорогостоящими. В этой работе мы показываем, что модульная акрилонитрил-бутадиен-стирольная (АБС) твердая/пустая конструкция, собранная из имеющихся в продаже блоков LEGO®, демонстрирует эффективную теплопроводность даже ниже, чем у сыпучих материалов, являющихся отраслевыми стандартами, и при этом обладает хорошими механическими свойствами. Отдельные блоки легко обеспечивают доступную и воспроизводимую настройку большого объема. Теплопроводность вдоль конструкции трудно предсказать по свойствам чистого материала ABS, поскольку внутренние тепловые пути сложны и включают контактное термическое сопротивление твердого тела между блоками. Представленные результаты характерны для модульного композитного материала ABS/пустота, построенного из типичных элементов LEGO.

Результаты

Экспериментальная установка показана на рис. 1. Мы исследовали модульную конструкцию из АБС, состоящую из четырех стандартных блоков LEGO (каталожный номер 3001), установленных вертикально друг на друга и установленных в холодильнике растворения ³ He/ ⁴ He растворителя ² производства Lancaster. Поскольку имеющиеся в продаже блоки LEGO отлиты с точностью σ _x  ≈ 10  μ m ³ , точно воспроизвести структуры очень легко. Блоки удерживались вместе полностью за счет силы зажима их взаимосвязанной геометрии, без добавления клеящего материала. Стопка имела общую высоту Δ x  = 40,2 мм, площадь основания a  = 502 мм ² и вес 9,28г. Соединения медных пластин на верхнем и нижнем концах конструкции были закреплены с помощью вакуумной смазки для улучшения теплового контакта ⁴ . Нижняя медная пластина была термически соединена со смесительной камерой блока разбавления, а на верхней медной пластине были установлены проволочный манганиновый нагреватель сопротивлением 3 Ом и калиброванный термометр сопротивления RuO ₂ .

Рисунок 1

Экспериментальная установка. Нагрев \(\dot{Q}\) подается через манганиновый резистор 3  Ом, а T _high измеряется термометром сопротивления RuO ₂ .

Изображение полного размера

После охлаждения нижняя пластина выдерживалась при T _low  ≈ 4,5 мК в течение 9 дней до проведения эксперимента. Для измерения теплопроводности к верхней пластине прикладывался постоянный уровень нагрева \(\dot{Q}\). После температуры верхней плиты 9{-10}\,{\rm{W}}\) (3,4 × 10 90 235 -11 90 232  Wg 90 235 -1 90 232 ) и была практически постоянной во временном масштабе эксперимента.

Для теплопроводности изоляторов при температурах значительно ниже температуры Дебая обычно можно использовать выражение коэффициент проводимости ^{6 ​​} . Константы λ и n можно определить, подгоняя экспериментальные данные к выражению: 9{n}dT/dx\) по высоте образца.

Поскольку во всех наших измерениях T _high намного больше, чем T _low , а n оказывается равным ~1,8, T _{low 90 Таким образом, 252 можно смело пренебречь.}

Результаты измерений для \(\dot{Q}\) по сравнению с T _high для модульной структуры ABS представлены на рис. 2. Метод наименьших квадратов соответствует нашим экспериментальным данным для продольной теплопроводности: 9{-10}\,{\rm{W}}\) добавляется к нашему контролируемому нагреву \(\dot{Q}\). Полная подгонка к данным дает n  = 1,75 (см. текст).

Изображение с полным размером

Теплопроводность пластиковых материалов при очень низких температурах в целом показывает T ⁿ зависимости с n в диапазоне от 1,7 до 2,4 ^{6 ​​} , и наша подгонка попадает в этот диапазон. Очевидно, что теплопроводность чрезвычайно анизотропной модульной структуры из АБС сильно зависит от оси измерения.

Кроме того, и это важно в текущем контексте, модульная структура ABS/пустота обеспечивает на порядок более низкую теплопроводность, чем лучший объемный теплоизолятор Macor ¹ . Высокий уровень изоляции, обеспечиваемый конструкцией из АБС, скорее всего, является результатом контактного сопротивления между отдельными блоками LEGO. В качестве иллюстрации (взято из рис. 1) приложение мощности ≈400 нВт к верхней пластине конструкции повышает температуру верхней пластины до 1 К без существенного изменения температуры нижней пластины (смесительной камеры). Для сравнения, конструкция Vespel-SP22 с той же площадью основания, что и модульная конструкция из АБС, должна иметь толщину стенок менее 300  9 .0383 μ м для достижения такой же изоляции ^{6 ​​} . Блок LEGO «№ 3001» имеет минимальную толщину стенки 1,20 мм и, как было установлено, выдерживает нагрузку ≈300 кг в гидравлическом прессе до выхода из строя. Это демонстрирует, что он механически прочен, несмотря на пустое пространство, и выдержит любой разумный криогенный эксперимент.

Термическое сжатие АБС при охлаждении от комнатной температуры до 4,2 К составляет 1,5% ⁷ против 0,6% у Веспел СП-22 ^{6 ​​} . Это может быть важно для определенных приложений, но для большинства приложений более важными факторами являются низкая теплопроводность и стоимость.

Обсуждение

В этой работе мы продемонстрировали, что модульная структура акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС), собранная из блоков LEGO, может обеспечить очень эффективный теплоизолятор при температурах в милликельвины. Для поддерживаемого LEGO эксперимента, требующего площади основания 5  см ² , достаточно обеспечить мощность менее 400 нВт, чтобы достичь температурного диапазона от 100 мК до 1  К. Это существенно не меняет температуру смесительной камеры и, следовательно, не будет мешать другим экспериментам в той же установке для разбавления.

Нет причин, по которым теплопроводность объемного АБС должна сильно отличаться от теплопроводности других полимерных материалов. Вместо этого мы предполагаем, что чрезвычайно низкая теплопроводность конструкции может быть связана с высоким сопротивлением твердому соединению между блоками, выделенному на рис. 3.

Рис. 3

Слева: визуализация модульной конструкции из АБС-пластика, показывающая внутренние узоры блоков LEGO. Справа: половина поперечного сечения, показывающая внутреннюю геометрию контакта между блоками в масштабе. Вся заштрихованная область, представляющая блок 3, опирается на верхнюю поверхность блока 2. Шпильки блока 2 высотой 1,8 нм обеспечивают надежную блокировку блока 3, минимизируя площадь поверхности контакта между блоками. Каждое соединение имеет 4 угловых шпильки (обозначены C) и 4 боковых шпильки (обозначены S).

Изображение в натуральную величину

Измеренные здесь очень полезные свойства композитной структуры вакуум/АБС предполагают, что мы можем легко перенести эту концепцию на 3D-печатные компоненты. ABS уже стал популярным базовым материалом для 3D-печати. Было бы просто создать сотовую геометрию сложной формы с высокой прочностью, простотой в обращении и низкой проводимостью для использования в качестве криогенного изолятора при температуре до милликельвина и ниже. Таким образом, мы могли одновременно настраивать проводимость и механическую прочность в соответствии с приложением, например, поддерживать пластину для смешивания квантового компьютера на основе рефрижератора растворения. Мотивация для этого шага заключается не только в удобстве создания сложных структур с помощью 3D-печати, но и в заметной стоимости. На текущем рынке цена , один лист Vespel порядка 100 см ² покроет стоимость всей установки 3D-принтера, необходимой для создания конструкций из АБС, которые можно будет использовать многократно.

Методы

Сопротивление калиброванного термометра RuO ₂ было измерено с использованием 4-точечной схемы с мостом сопротивления переменного тока Lakeshore 370. Тепло, рассеиваемое нагревателем, также контролировалось с помощью 4-точечного измерения. Неизолированные провода NbTi длиной 40  см и диаметром 62  мкм мкм использовались для электрических соединений с термометром и нагревателем. Температуру разбавленной фазы в смесительной камере холодильника разбавления измеряли с помощью вибрационного проволочного резонатора 9.0235 8 . Мы пошагово меняли подаваемое тепло и ждали, пока температуры не уравновешиваются, прежде чем взять точку измерения (обычно 2 часа). Точки, представленные на рис. 2, были измерены как при нагревании, так и при охлаждении.

Доступность данных

Все данные, используемые в этом документе, доступны по адресу https://doi.org/10.17635/lancaster/researchdata/328, включая описания наборов данных.

Ссылки

1. Вудкрафт, А. Л. и Грей, А. База данных по низкотемпературной теплопроводности. Конф. AIP. Процедура . 1185 , 681 (2009).

2. Кузены, Д. и др. . Усовершенствованный рефрижератор растворения, разработанный для нового микрокельвинового завода в Ланкастере. Дж. Низкотемпературный. Физ . 114 , 547 (1999).

3. Профиль компании: Знакомство с LEGO Group, LEGO Group (2010 г.).

4. Салерно, Л. Дж., Киттель, П. и Спивак, А. Л. Теплопроводность прессованных металлических контактов, дополненных индиевой фольгой или смазкой Apiezon, при температурах жидкого гелия. Криогеника 34 , 649 (1994).

5. Шварк М., Побелл Ф., Кубота М. и Мюллер Р. Туннелирование с очень длительным временем релаксации в стеклах, органических материалах и Nb-Ti-H (D). Дж. Низкотемпературный. Физ . 58 , 171 (1985).

6. Pobell, F. Вещество и методы при низких температурах . Обратите внимание, что существует погрешность в 1000 раз для теплопроводности некоторых цитируемых материалов (Springer, 2007).

7. Вайс К.-П., Багретс Н., Ланге К., Голдакер В. и Вольгемут Дж. Термические и механические свойства выбранных 3D-печатных термопластов в криогенном температурном режиме. Конф. IOP. Серия: Мат. науч. и англ . 102 , 012022 (2015).

8. Бунков Ю.М. и др. . Компактный рефрижератор растворения с вертикальными теплообменниками для работы до 2 мК. Дж. Низкотемпературный. Физ . 83 , 257 (1991).

Скачать ссылки

Благодарности

Особая благодарность профессору Энтони Гено, профессору Ричарду Хейли, доктору Джонатану Прансу и доктору Самули Аутти за их помощь и комментарии. Эта работа финансировалась UK EPSRC (грант № EP/P024203/1) и Европейской микрокельвиновой платформой h3020 ЕС (грантовое соглашение 824109).

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Факультет физики Ланкастерского университета, Ланкастер, LA1 4YB, Соединенное Королевство

   Дж. М. А. Чаунер, А. Т. Джонс, М. Т. Ноубл, Г. Р. Пикетт, В. Цепелин, Д. Е. Змеев

Авторы

1. Дж. М. А. Чаунер

   Просмотр публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. A. T. Jones

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. M. T. Noble

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. G. R. Pickett

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. В. Цепелин

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Змеев Д.Е.

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

Взносы

Д. Е.З. спроектировал это исследование. J.M.A.C. провел анализ, написал рукопись и изготовил образец. А.Т.Дж., М.Т.Н. и В.Т. эксплуатировал холодильник для разбавления, построенный Ланкастером. В.Р.П. оказал помощь с рисунками и рукописью. Все вышеперечисленное участвовало в обсуждении данной работы.

Автор, ответственный за переписку

Д. Э. Змеев.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете первоначальных авторов и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Магнитное охлаждение и виброизоляция субкГц механического резонатора

  • Бернард ван Хек
  • Тим М. Фукс
  • Тьерк Х.